窄基塔多桩基础的优化探讨

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摘 要：随着经济的不断发展，高压输电线路的廊道限制日趋明显，窄基钢管塔线路作为新兴的线路型式，在城市绿化带或道路两侧廊道受限地区使用，有着经济性、适用性俱佳的优点，其基础型式的选择必须与窄基塔节约占地的理念相符合，桩基础则是最为常用的基础型式，基于经济性的考虑，窄基塔转角塔通常使用多桩基础。本论文对于不同地质情况和窄基塔基础作用力，对转角塔的桩基础布置型式进行优化，对桩体布置、承台型式等工程量影响较大的因素进行计算比选，提出的优化设计方案在工程实际应用中有很强的推广性。

关键词：窄基塔；多桩基础；优化

中图分类号：C35 文献标识码： A

窄基塔线路是目前新兴的线路型式，具有节约廊道、占地的优点，并且工程造价相比较钢管杆线路可下降20%-30%，具有很强的应用前景。目前，窄基塔的通用设计、批量使用已提上日程。根据窄基钢管塔的基础受力特征，其基础配置有较大的优化空间。

一、窄基塔桩基础选型概述

窄基塔的基础受力特征介于角钢塔和钢管杆之间，根据其基础作用力的大小及地基情况的差异，可选择分体式基础或一体式基础，但由于其根开很小，使用分体式基础往往由于四腿基础相互之间冲突而难以实现，通常使用的基础型式为一体式（即独立式基础）。窄基塔的独立式基础又可分为开挖回填基础及桩基础两大类。

窄基塔线路通常在城市绿化带、道路两侧等基础建设受限地段使用，受到地下管线、绿化带宽度的限制，基础可建设的宽度往往受到很大的制约，开挖回填基础的底板放置存在很大的难度。以典型的粘性土地质为例，通常窄基塔开挖回填基础底板宽度为：直线塔基础底板宽度5.4～6.4米，小转角塔基础底板宽度6.8～7.6米，而大转角塔基础底板宽度则通常在8米以上，这在走廊已经十分狭窄的情况下是难以实现的，背离了窄基塔使用的初衷。而使用桩基础则很好的解决了这一问题，无论使用多桩、单桩基础，在桩径合理的前提下，其承台尺寸均可控制在4米以内，这很好的解决了窄基塔的根开与基础的配合问题，可解决窄基塔在基础建设受限地区应用的问题。

窄基塔灌注桩基础的常规型式为单桩、多桩，根据以往的设计经验，直线塔一般使用单桩可满足其承载要求；而转角塔根据其转角度数的大小其控制条件不同，通常使用多桩的经济性是较高的。常规的多桩布置型式为四桩。以下对窄基塔转角塔的多桩基础受力进行分析和优化比选。

二、窄基塔基础作用力特点分析

转角度数不同的窄基塔，其基础最大作用力的控制工况有所区别，不同角度转角塔的控制工况是安装或覆冰工况，存在一个转角度数的临界点，在此临界点下的安装和覆冰工况所产生的基础作用力是相同的。

2.1 小转角塔的基础受力特性分析

小转角塔的控制工况为安装工况，根据设计规程规定，未挂线一侧的拉线可承担30%的不平衡张力，即挂线侧的导地线承受的不平衡张力为最大使用张力的70%，由其引起的最大弯矩方向为顺线路方向，如图[2.1-1]示。

图[2.1-1] 小转角塔安装工况受力示意图

图[2.1-2] 小转角塔大风工况受力示意图

图[2.1-3] 小转角塔覆冰工况受力示意图

大风工况下的基础作用力一般仅为安装工况下的60%以下，覆冰工况下的基础作用力则与转角度数有关。

2.2 大转角塔的基础受力特性分析

大转角塔的控制工况为覆冰工况，导地线的最大使用张力即是此工况下的张力，为年平运行工况下的1.5倍，由其引起的最大弯矩方向为转角内侧方向。窄基塔的控制工况示意图[2.2-1]。

大转角塔的大风、安装工况与小转角塔原理一致，在此不予累述。

图[2.2-1] 大转角塔覆冰的受力示意图

2.3 转角塔角度与基础作用力控制工况的关系

使用杆塔满应力计算软件对杆塔的结构受力进行计算，并对其结构稳定性进行验算，根据其结构计算导出的基础作用力进行比较。

需要说明的是，窄基塔设计条件的差别对基础作用力控制工况的角度临界点是不同的，窄基塔在110kV电压等级应用较广，其线路的常规导线为300mm?截面或400mm?截面单导线，设计的覆冰厚度、风速都有较大的区别，基于不同的设计条件，最大基础作用力控制工况的转角度数分割点一般在22°～26°之间，即低于这个度数的转角塔的最大基础作用力控制工况为安装工况，大于这个度数的转角塔的最大基础作用力控制工况为覆冰工况。需要说明的是，在工程实际中，由于受到拉线施工偏差、导地线过牵引长度超设计值等因素的影响，挂线侧实际的不平衡张力往往超过规定值。因此度该角度应该进行一定的增加，为了简化比选，临界角度取30°是比较合理的。

三、窄基塔小转角塔的桩基础优化

根据前章对小转角塔的基础作用力特征的分析，30°以内小转角塔控制工况（安装工况）下的基础作用力是由顺线路方向的弯矩引起的，即最大基础作用力的塔腿是线路大小号侧对称分布的，若使用全轴对称的四桩基础，工程量的浪费是较大的，经过计算比选，可得基础的综合造价与灌注桩桩数的关系曲线图如图[3-1]示。

图[3-1] 小转角塔桩数与工程量的关系曲线

可以看出，小转角塔的桩基础综合造价随着桩数的提高，其综合造价也在缓慢上升，需要说明的是，单桩带承台灌注桩由于其抵抗由倾覆能力转化的偏心下压能力很差，对于小转角塔同样不适用。

小转角塔双桩布置示意图如图[3-2]示。

图[3-2] 小转角塔双桩布置示意图

需要说明的是，小转角塔的基础最大作用力是安装工况控制的，在实际施工时可能先安装任意侧的导地线，因此其最大基础作用力是沿横担方向对称的，两个桩体的布置、深度、桩径都应该是相同、对称的。

图[3-3] 双桩灌注桩效果图

四、窄基塔大转角塔的桩基础优化

对于大转角塔，其基础作用力的控制工况为覆冰工况，最大的弯矩方向为垂直线路的方向，因杆塔弯矩转化的基础纵向作用力传递至桩体承受时分为上拔和下压，其安全储备往往是不同的，即上拔和下压桩通常有一侧是浪费较大的，当持力层的极限端阻力很大但桩侧摩阻力较小时，下压侧的桩承载力有很大的裕度，反之，亦然。在实际的设计过程中，需要基于基础作用力、土层特性、桩体分布对桩的承载力储备进行详细的计算，当然，也存在上拔和下压侧基础受力均衡的状态，在这种状态下应使用对称的四桩基础。

以持力层为砾石的情况为例，由于持力层极限承载能力很大，其下压承载力裕度储备远大于抗上拔的承载力裕度储备，使用如图[4-1]布置的三桩基础是比较合理的。

图[4-1] 大转角塔三桩布置示意图

对下压与上拔承载能力相差约50%或以上的窄基转角塔，其桩数与工程量的关系如图[4-2]。

图[4-2] 大转角塔桩数与工程量的关系曲线

可以看出，大转角塔的桩基础综合造价在三桩时是最低的，随着桩数的提高或减少，由于其受力合理性的降低，综合造价均呈上升状态，需要说明的是，三桩并不是对于所有的大转角塔都适用，对于上拔和下压承载力裕度储备差距不大的情况，适用沿顺线路方向对称的多桩基础是合理的。

三桩灌注桩的承台型式可以为三角形或矩形，由于承台需要满足窄基塔的地脚螺栓的布置，如图[4-3]示。

图[4-3] 三桩灌注桩效果图

可见，为满足地脚螺栓的布置，三角形承台的尺寸远大于矩形承台，虽然桩体布置间距可适当加大，但基础的综合造价还是不降反升的，因此在工程实际应用中，应尽可能采用矩形承台，不仅降低造价也可减少施工搭设模板时的难度。

图[4-4] 三桩灌注桩效果图

五、结语

本论文基于理论计算和工程实践，对窄基塔的多桩基础就转角度数的区别分别进行了优化比选，小转角塔使用双桩基础、大转角塔根据其上拔、下压承载力裕度的不同分别使用不同布置型式的三桩灌注桩基础和四桩灌注桩基础，可提高窄基塔线路桩基础的合理性、经济性，在工程应用实际中有较强的推广意义

参考文献

[1] 110kV-750kV架空输电线路设计规范（GB 50545-2010）

[2] 架空输电线路基础设计技术规定（DL/T 5219-2005）

[3] 张殿生，电力工程高压输电线路设计手册，北京，中国电力出版社，2003

[4] 王建华等，土力学与地基基础，北京，中国建筑工业出版社，2011